JP2023136826A - Stereo molding method, and manufacturing method of stereo molded object - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は立体造形方法、及び立体造形物の製造方法に関し、より詳細には、3Dプリンティングなどの付加製造技術を用いて立体造形物を造形する立体造形方法、及び立体造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional modeling method and a method for manufacturing a three-dimensional object, and more particularly, to a three-dimensional modeling method for forming a three-dimensional object using an additive manufacturing technique such as 3D printing, and a method for manufacturing a three-dimensional object.
3Dプリンティング技術を用いた製造装置の名称として、広く3Dプリンタという言葉が使われている。3Dプリンタは、3次元のCADデータをもとにコンピュータで造形物の断面形状を計算し、該造形物を薄い輪切り状の断面構成要素に分割して、その断面構成要素を種々の方法で形成し、それを積層させて目的とする造形物を造形する立体造形装置である。3Dプリンティング技術は、国際的にはAdditive Manufacturing Technologyと同義語として使われる場合が多く、日本語訳として、付加製造技術が用いられている。 The term 3D printer is widely used as a name for manufacturing equipment that uses 3D printing technology. A 3D printer uses a computer to calculate the cross-sectional shape of a model based on three-dimensional CAD data, divides the model into thin slice-shaped cross-sectional components, and forms the cross-sectional components using various methods. This is a three-dimensional modeling device that creates a desired object by layering these layers. 3D printing technology is often used internationally as a synonym for Additive Manufacturing Technology, and the Japanese translation is additive manufacturing technology.
国際標準化団体のASTM Internationalでは、Additive Manufacturing(付加製造)の方法が大きく以下の7つに分類されている。
(1)液槽重合法(Vat Photopolymerization)
(2)材料押出法(Material extrusion)
(3)粉末床溶融結合法(Powder bed fusion)
(4)結合材噴射法(Binder Jetting)
(5)シート積層法(Sheet lamination)
(6)材料噴射法(Material Jetting)
(7)指向性エネルギー堆積法(Directed Energy Deposition)
ASTM International, an international standards organization, broadly categorizes additive manufacturing methods into the following seven types.
(1) Liquid bath polymerization method (Vat Photopolymerization)
(2) Material extrusion method
(3) Powder bed fusion method
(4) Binder Jetting
(5) Sheet lamination method
(6) Material Jetting
(7) Directed Energy Deposition
(1)液槽重合法は、これらの中でも最も古い時期に実用化されたものであり、3Dプリンタの名称が一般化する以前から、光造形法、SLA(Stereolithography)などの名称でラピッドプロトタイピング用途として用いられていた。 (1) The liquid bath polymerization method was put into practical use the earliest of these, and was used for rapid prototyping under names such as stereolithography and SLA (Stereolithography) even before the name 3D printer became common. It was used for a purpose.
(2)材料押出法は、熱溶解積層法、FDM(Fused Deposition Modeling)とも呼ばれ、多くの場合、熱可塑性樹脂からなる造形材料を加熱して溶融流動状態とし、それをノズルから押し出しながら積層して造形する方法である。 (2) Material extrusion is also called fused deposition modeling or FDM (Fused Deposition Modeling), and in many cases, a modeling material made of thermoplastic resin is heated to melt it into a fluid state, and then it is extruded through a nozzle while being laminated. This is a method of modeling.
(3)粉末床溶融結合法、及び(4)結合材噴射法は、造形材料として、粉体状又は粒状のものを用いるところが特徴である。
(3)粉末床溶融結合法は、粉末焼結、SLS(Selective Laser Sintering)、SLM(Selective Laser Melting)などとも呼ばれている。
(3) Powder bed fusion bonding method and (4) binder injection method are characterized in that they use powder or granular material as the modeling material.
(3) The powder bed fusion bonding method is also called powder sintering, SLS (Selective Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting), etc.
(4)結合材噴射法は、インクジェット式バインダージェッティング、CJP(Color Jet Printing)とも呼ばれており、(3)粉末床溶融結合法と同様、造形材料粉から成る材料床を用いる一方、材料床に対し造形材料粉を結着するいわば接着剤の機能を有する結着材料をインクジェットヘッド等から選択的に噴射することで、造形材料粉同士を結着させて造形していく方式である。 (4) The binder jetting method is also called inkjet type binder jetting or CJP (Color Jet Printing), and like the (3) powder bed fusion bonding method, it uses a material bed made of modeling material powder, but the material In this method, a binding material that has the function of an adhesive that binds the modeling material powder to the floor is selectively ejected from an inkjet head or the like to bind the modeling material powder to each other and create a model.
(5)シート積層法はその名の通り、紙、プラスチックフィルム等のシート状材料を積層断面形状に切断しそれを順次積層、接着することにより立体造形物を造形する方式である。 (5) As the name suggests, the sheet lamination method is a method in which a three-dimensional object is created by cutting sheet materials such as paper or plastic films into laminated cross-sectional shapes, and sequentially laminating and gluing them.
(6)材料噴射法は、インクジェット式マテリアルジェッティング、MJP(Multijet Printing)とも呼ばれ、造形材料の粘度が、(2)材料押出法のそれよりやや低めのものが多く、いわばインクジェットプリンタのインクの代わりに造形材料を吐出させて積層させながら造形していく方法である。
近年パーソナルユーズとして市販されている3Dプリンタには、(2)材料押出法、又は(6)材料噴射法が採用されているものが多い。
(6) The material jetting method is also called inkjet material jetting or MJP (Multijet Printing), and the viscosity of the modeling material is often slightly lower than that of the (2) material extrusion method, so it is similar to the ink of an inkjet printer. Instead, this is a method in which modeling material is discharged and layered in layers.
Many 3D printers that have been commercially available for personal use in recent years employ (2) a material extrusion method or (6) a material injection method.
(7)指向性エネルギー堆積法は、レーザーデポジション、LMD(Laser Metal Deposition)などとも呼ばれている。指向性エネルギー堆積法は、造形材料を供給しながら且つエネルギーも同時に選択的に付与しながら、造形材料を積層する方式である。
[発明が解決しようとする課題]
(7) The directional energy deposition method is also called laser deposition, LMD (Laser Metal Deposition), etc. The directional energy deposition method is a method in which modeling materials are stacked while supplying the modeling materials and selectively applying energy at the same time.
[Problem to be solved by the invention]
本出願人は、上記した付加製造技術に関連する技術の一つとして、下記の特許文献1において、シェル材を用いて立体造形物の外殻層(シェル)を先に造形し、次にコア材を用いて造形済みの外殻層の内部(コア部)を造形する立体造形方法を提案している。本明細書に於いては、この方法をコアシェル方式とも言うこととする。
As one of the technologies related to the above-mentioned additive manufacturing technology, the present applicant has proposed in
図8は、コアシェル方式で造形された立体造形物の一例を模式的に示す斜視図である。立体造形物100は、外殻層となるシェル2を有し、シェル2に囲われたコア部4内にコア材5が充填され硬化されたものとなっている。
FIG. 8 is a perspective view schematically showing an example of a three-dimensional structure formed by the core-shell method. The three-
例えば、上記液槽重合法を用いた立体造形装置を用いて、図8に示したようなコアシェル方式の立体造形物を造形する方法においては、シェル材の液槽内に配設された造形台上で外殻層であるシェル2が造形され、シェル2に囲われたコア部4に液状のコア材5が充填される。その後、前記造形台が液槽面より上に上昇させられて、作業者が前記造形台上に造形されたシェル2を前記造形台から取り外す。そして、取り外されたシェル2を加熱炉等で加熱し、コア部4内の液状のコア材5を硬化させることで、立体造形物100の造形が完了する。
For example, in a method of manufacturing a core-shell type three-dimensional object as shown in FIG. 8 using a three-dimensional modeling apparatus using the liquid bath polymerization method described above, a modeling table disposed in a liquid tank for shell material is used. A
図9は、液槽重合法を用いる立体造形装置を用いて造形台上にコアシェル方式で造形されたシェルをシェル材の液槽面上に出した状態を模式的に示す部分断面図である。
また、図10は、コアシェル方式で造形されたシェルを造形台から取り外している一場面を模式的に示す部分断面図である。
FIG. 9 is a partial sectional view schematically showing a state in which a shell modeled using a core-shell method on a modeling table using a three-dimensional modeling apparatus using a liquid bath polymerization method is brought out onto the liquid tank surface of the shell material.
Moreover, FIG. 10 is a partial sectional view schematically showing a scene in which a shell modeled by the core-shell method is removed from a model table.
図9に示した状態では、造形台15上に外殻層であるシェル2が造形され、シェル2に囲われたコア部4に液状のコア材5が充填された状態となっている。また、造形台15とシェル2との間には、シェル2を支えるためにサポート部6がシェル材3を用いて造形されている。
In the state shown in FIG. 9, a
図10に示すように、シェル2を造形台15から取り外す際には、作業者が、シェル2と造形台15との間にヘラやスクレーパなどの剥離具50を少しずつ挿入していき、サポート部6を壊しながらシェル2を造形台15から取り外していく。
この時、コア部4に充填されているコア材5は液状であるため、剥離具50でシェル2を造形台15から取り外す際、シェル2が傾いたり、シェル2に振動が加わったりすると、図10に示すように、コア部4からコア材5がこぼれてしまうという課題があった。
As shown in FIG. 10, when removing the
At this time, since the
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、いわゆるコアシェル方式の立体造形方法において、コア部からコア材をこぼさずに造形台からシェルを取り外すことができる立体造形方法、及び立体造形物の製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a three-dimensional modeling method in which a shell can be removed from a modeling table without spilling core material from a core part in a so-called core-shell three-dimensional modeling method, and a three-dimensional modeling method for three-dimensional modeling. The purpose is to provide a manufacturing method.
上記目的を達成するために本発明に係る立体造形方法(1)は、立体造形物の外殻層であるシェルをシェル材を用いて支持部材上に造形するシェル造形工程と、
前記シェルに囲われた部分であるコア部に液相材料であるコア材を充填するコア材充填工程と、
前記支持部材から前記シェルを取り外すシェル取り外し工程と、
を有し、前記コア材を含む立体造形物を形成させる立体造形方法であって、
前記コア材充填工程と前記シェル取り外し工程との間に、前記シェルの開口部に漏出防止部を設ける漏出防止部形成工程を有することを特徴としている。
In order to achieve the above object, the three-dimensional modeling method (1) according to the present invention includes a shell modeling step of modeling a shell, which is an outer shell layer of a three-dimensional model, on a support member using a shell material;
a core material filling step of filling a core portion, which is a portion surrounded by the shell, with a core material, which is a liquid phase material;
a shell removal step of removing the shell from the support member;
A three-dimensional modeling method for forming a three-dimensional object including the core material,
The present invention is characterized in that a leak prevention part forming step is provided between the core material filling step and the shell removal step, in which a leak prevention portion is provided at the opening of the shell.
上記立体造形方法(1)によれば、前記コア材充填工程と前記シェル取り外し工程との間に、前記漏出防止部形成工程を有しているので、前記シェルの開口部に前記漏出防止部が設けられた状態で前記シェル取り外し工程を行うことが可能となる。前記シェルの開口部に前記漏出防止部が設けられることによって、前記シェル取り外し工程中に、前記シェルが傾けられたり、前記シェルに振動が加えられたりしても、前記コア部から前記コア材がこぼれる虞がなくなり、前記コア部から前記コア材をこぼすことなく前記支持部材から前記シェルを取り外すことができる。 According to the three-dimensional modeling method (1), the leakage prevention portion forming step is provided between the core material filling step and the shell removal step, so that the leakage prevention portion is formed at the opening of the shell. It becomes possible to perform the shell removal step in the provided state. By providing the leakage prevention part at the opening of the shell, even if the shell is tilted or vibration is applied to the shell during the shell removal process, the core material will not be removed from the core part. There is no risk of spillage, and the shell can be removed from the support member without spilling the core material from the core portion.
また本発明に係る立体造形方法(2)は、上記立体造形方法(1)において、
前記漏出防止部は前記コア材の上に位置する前記シェル材の少なくとも一部を硬化させることによって造形されることを特徴としている。
In addition, the three-dimensional modeling method (2) according to the present invention includes, in the three-dimensional modeling method (1),
The leakage prevention part is characterized in that it is shaped by curing at least a portion of the shell material located on the core material.
上記立体造形方法(2)によれば、前記漏出防止部は前記コア材の上に位置する前記シェル材の少なくとも一部を硬化させることによって造形されるので、前記コア材充填工程を終えた後、前記漏出防止部を簡便かつ効率良く造形することができる。 According to the three-dimensional modeling method (2), the leakage prevention part is modeled by curing at least a part of the shell material located on the core material, so that after the core material filling step is completed, , the leakage prevention part can be easily and efficiently shaped.
また本発明に係る立体造形方法(3)は、上記立体造形方法(2)において、
前記漏出防止部の造形時における前記シェル材の硬化深度は、前記シェルの造形時における前記シェル材の硬化深度よりも深いことを特徴としている。
In addition, the three-dimensional modeling method (3) according to the present invention includes, in the three-dimensional modeling method (2),
The hardening depth of the shell material when forming the leakage prevention part is deeper than the hardening depth of the shell material when forming the shell.
上記立体造形方法(3)によれば、前記漏出防止部の造形時における前記シェル材の硬化深度は、前記シェルの造形時における前記シェル材の硬化深度よりも深いため、厚みのある前記漏出防止部を短時間で効率良く造形することができる。 According to the three-dimensional modeling method (3), the hardening depth of the shell material at the time of modeling the leakage prevention part is deeper than the hardening depth of the shell material at the time of modeling the shell, so the leakage prevention part is thicker. parts can be efficiently modeled in a short time.
また本発明に係る立体造形方法(4)は、上記立体造形方法(1)~(3)のいずれかにおいて、前記シェルは、前記シェル材が注入されたシェル材槽内で形成されており、
前記漏出防止部形成工程では、前記支持部材を上昇させて前記シェルの開口部を前記シェル材槽の前記シェル材の液面より高くしてから前記漏出防止部を設けることを特徴としている。
Further, in a three-dimensional modeling method (4) according to the present invention, in any of the three-dimensional modeling methods (1) to (3), the shell is formed in a shell material tank into which the shell material is injected,
In the leakage prevention part forming step, the leakage prevention part is provided after the supporting member is raised to make the opening of the shell higher than the liquid level of the shell material in the shell material tank.
上記立体造形方法(4)によれば、前記支持部材を上昇させて前記シェルの開口部を前記シェル材槽の前記シェル材の液面より高くしてから前記漏出防止部を設けるので、前記漏出防止部をより短時間で効率良く造形する手段、例えば、広い面を速く硬化することができる手段などを採用することができる。 According to the three-dimensional modeling method (4), the leak prevention part is provided after the support member is raised to make the opening of the shell higher than the liquid level of the shell material in the shell material tank, so that the leakage It is possible to employ means for efficiently shaping the prevention portion in a shorter time, such as means for rapidly curing a wide surface.
また本発明に係る立体造形物の製造方法は、上記立体造形方法(1)~(4)のいずれかを用いて立体造形物を製造することを特徴としている。 Further, the method for manufacturing a three-dimensional object according to the present invention is characterized in that the three-dimensional object is manufactured using any one of the three-dimensional object forming methods (1) to (4) described above.
上記立体造形物の製造方法によれば、前記立体造形物を製造する場合に、上記立体造形方法(1)~(4)のいずれかにより得られる効果を奏することとなり、前記コア部から前記コア材がこぼれることによる装置内汚染や前記コア材の再補充工程等をなくすことができ、前記立体造形物の製造効率を高めることができる。 According to the method for manufacturing a three-dimensional object, when manufacturing the three-dimensional object, the effects obtained by any of the three-dimensional object forming methods (1) to (4) are achieved, and the core part is It is possible to eliminate internal contamination of the apparatus due to material spillage and the process of refilling the core material, thereby increasing the manufacturing efficiency of the three-dimensional molded object.
以下、本発明に係る立体造形方法、及び立体造形物の製造方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、図面に記載している立体造形物、並びにそのシェル及びコア部の形態などは、本発明の主旨が容易に理解できるように模式的に描かれており、これらの形態に限定されるものではない。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a three-dimensional modeling method and a three-dimensional molded object manufacturing method according to the present invention will be described based on the drawings. Note that the three-dimensional objects shown in the drawings, as well as the forms of their shells and core parts, are schematically drawn so that the gist of the present invention can be easily understood, and the present invention is not limited to these forms. isn't it.
図1は、実施の形態に係る立体造形方法に用いる立体造形装置の構成例を示す概略図である。
立体造形装置10は、造形槽(シェル材槽)11、レーザー光学系12、コア材供給系13、及びこれら各部の動作などを制御する制御ユニット20を主たる構成要素としている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a three-dimensional modeling apparatus used in a three-dimensional modeling method according to an embodiment.
The three-
立体造形装置10は、コアシェル方式で造形される立体造形物1のシェル2の造形に液槽重合法を用いる装置である。また、立体造形装置10は、複合材3Dプリンタとして構成され、シェル2で囲われた部分であって底面を有する部分であるコア部4に充填されるコア材5として、熱硬化性樹脂中に強化材が分散された強化樹脂が用いられている。
なお、図1では、シェル材3が注入された造形槽11内で行われるシェル2の造形、及びコア部4へのコア材5の充填が完了した状態を模式的に示している。また、図中矢印x方向がx軸方向、矢印z方向がz軸方向、紙面に垂直方向がy軸方向とする。
The three-
Note that FIG. 1 schematically shows a state in which the modeling of the
造形槽11中には、シェル材3として、例えば、液相材料である光硬化性樹脂が貯留されており、図示しない光硬化性樹脂調整系により、その液面位置を所定位置に維持、調整可能となっている。シェル材3には、例えば、エポキシ系、アクリル系などの公知の紫外線硬化樹脂などの光硬化性樹脂が使用可能である。また、造形槽11中には造形台15が設けられている。造形台15は、造形中の立体造形物1を支持する支持部材の一例であり、図示しない駆動機構により図中z軸方向の任意の位置に移動かつ設置可能となっている。なお、造形台15の動作は制御ユニット20により制御可能となっている。
In the
造形槽11の液面近傍位置にリコータ16が配設されており、リコータ16の先端をシェル材3の液面にわずかに(例えば、所定の硬化深度未満だけ)沈めた状態で、水平方向(この場合、x軸方向)に移動させることが可能となっている。リコータ16は、ブレードの一例である。このリコータ16の移動動作により、造形中のシェル2の上にシェル材3を均一な厚さに塗り拡げたり、余分なコア材5を掻き取ったりして、シェル2やコア材5の上に所定深さ(例えば、0.1mm~0.4mm程度)のシェル材3が平坦に塗り拡げられた状態にすることが可能となっている。なお、リコータ16の動作は制御ユニット20により制御可能となっている。
A
レーザー光学系12は、紫外線レーザー12a、及び走査光学系12bを備えている。紫外線レーザー12aから紫外線レーザー光12cが出射され、出射された紫外線レーザー光12cは、走査光学系12bの駆動により、シェル材3の液面上(すなわちxy平面)の所定範囲を走査可能となっている。シェル材3としての紫外線硬化樹脂は、活性エネルギー線の一つである紫外線レーザー光12cの照射により、液面から所定の深さだけ硬化され、シェル2が造形されていく。この硬化深度は、紫外線レーザー12aの出力を調整することにより、ある程度の幅で調整可能となっており、通常0.1mm~0.4mm程度に設定されている。したがって、造形面がシェル材3の液面から所定の硬化深度だけ沈めた深さ位置になるように造形台15を降下させて、紫外線レーザー光12cを照射する走査を繰り返すことにより、造形台15上にシェル2が造形されるようになっている。
The laser
なお、造形台15とシェル2との間には、造形中のシェル2を支持するためのサポート部(サポート材ともいう)6がシェル材3を用いて造形されている。サポート部6は、紫外線レーザー光12cをシェル材3に照射することにより、例えば、複数の細棒状、網目状など、シェル2を支持するのに必要な形状かつ除去可能な形状に造形される。これらレーザー光学系12の各部の動作は制御ユニット20により制御可能となっている。
Note that between the modeling table 15 and the
コア材供給系13は、コア材5をその内部に貯留するコア材タンク13a中から、ポンプ13bで配管系13c、13dを順に介して圧送しながら供給し、ノズル14先端からコア材5を吐出する。ノズル14は図示しないノズル移動機構により、図中xyz各方向に移動かつ固定可能となっている。このため配管系13dはノズル14の移動に追随するようフレキシブルな構成及び材料となっている。なお、コア材供給系13のポンプ13bやノズル14などの動作も制御ユニット20により制御される構成となっている。
The core
コア材5は、例えば、エポキシ系、アクリル系など公知の液相材料である熱硬化性樹脂の中に強化材が均一に分散された複合材で構成されているが、これに限定されない。このような複合材を用いる場合、前記強化材を母材中に均一分散している状態で硬化させることが可能となる。換言すれば、前記強化材の分散状態の分断を生じさせないで硬化させることが可能となり、立体造形物の強度を高めることができる。前記強化材は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、及びアラミド繊維のうちの少なくとも1つを含む繊維状の強化材でもよいし、シリカ等の無機材料粉などでもよい。コア材5にはシェル材3よりも高比重なものが使用されている。
The
なお、コア材5は、例えば、1000~5000(mPa・s)、より好ましくは、1000~2000(mPa・s)の粘度を有するものが採用され得る。また、シェル材3である紫外線硬化樹脂は、例えば、200~700(mPa・s)の粘度を有するものが採用でき、コア材5の粘度は、シェル材3の粘度よりも2倍以上であることが好ましい。
Note that the
制御ユニット20は、1つ以上の記憶装置を含む記憶部20aと、1つ以上のコンピュータ(演算処理装置)を含む制御部20bとを含んで構成され、コンピュータ装置で構成することが可能である。
記憶部20aには、実施の形態に係る立体造形方法を制御部20bに実行させるためのプログラム、造形する立体造形物の3Dデータ(3次元CADデータ)、その他、造形条件の設定データなど、付加製造に必要な各種データが記憶されている。
制御部20bは、記憶部20aから前記プログラム、前記3Dデータ、及び前記設定データなどを読み出し、前記プログラムに基づいて、レーザー光学系12の各部、コア材供給系13の各部、造形槽11に配設された造形台15、リコータ16などに適宜制御信号や駆動信号を出力し、これら各部の動作を制御する処理を実行する。
The
The
The
なお、造形槽11内の造形台15の近傍位置に、図示しない廃棄桶が配設されてもよい。前記廃棄桶が配設されることにより、コア部4に余分に充填された後、リコータ16によって掻き取られた余分なコア材5が廃棄(回収)可能となる。前記廃棄桶は、造形台15とともに昇降可能に配設されてもよいし、造形台15とは別々に昇降可能に配設されてもよい。
Note that a waste bucket (not shown) may be provided in the vicinity of the modeling table 15 in the
図2は、実施の形態に係る立体造形方法の一例を説明するためのフローチャートである。実施の形態に係る立体造形方法は、いわゆるコアシェル方式の立体造形方法である。なお、以下の説明では、立体造形物1の外殻層であるシェル2の造形を複数回に分割して造形する例を説明する。もちろん、立体造形物1の大きさや、コア部4の形状によっては、シェル2の造形を分割せずに1回で造形可能な場合もあるが、基本的には略同じ手順が繰り返されるだけで造形方法に本質的な違いはない。
FIG. 2 is a flowchart for explaining an example of the three-dimensional modeling method according to the embodiment. The three-dimensional modeling method according to the embodiment is a so-called core-shell three-dimensional modeling method. In the following description, an example will be described in which the
まず、立体造形物1の外殻層であるシェル2を液相材料であるシェル材3を用いて造形台15上に造形するシェル造形工程(S1)が行われる。
すなわち、制御ユニット20がレーザー光学系12と造形台15とを制御して、造形台15上の造形エリアに紫外線レーザー光12cを走査し、造形台15をZ方向に所定の高さ(深さ)ずつ(一層分ずつ)順次下げつつ、造形台15上にシェル2を造形していく。上記一層分ずつシェル2を造形していく際、リコータ16でシェル材3の液面をx軸方向に均した後、紫外線レーザー光12cを走査することが好ましい。
First, a shell forming step (S1) is performed in which the
That is, the
なお、シェル造形工程(S1)においては、造形台15とシェル2との間に、サポート部6が造形される。サポート部6は、シェル2を支持するためのものであり、例えば、紫外線レーザー光12cをシェル材3に照射することにより、複数の細棒状、網目状など、シェル2を支持するのに必要な形状かつ除去可能な形状に造形される。また、上記一層分は、紫外線レーザー光12cの硬化深度を考慮して設定される。前記硬化深度は、例えば、0.1mm~0.4mm程度に設定され得る。
In addition, in the shell modeling process (S1), the
図3は、シェル造形工程(S1)により造形台15上にシェル2が造形された状態を模式的に示す部分断面図である。なお、図3では、1回目のシェル2が造形された状態を示しており、造形台15周辺部のみを拡大して示している。
図3に示すように、造形台15上にサポート部6を介してシェル2が造形されている。シェル2は、上部に開口部2aを有する有底箱形状に造形されている。この時点では、シェル2の内部、すなわち1回目に造形されたシェル2に囲われたコア部4には、未硬化のシェル材3が残留している。なお、2回目のシェル2が造形された状態では、1回目に造形されたシェル2に囲われたコア部4の領域には、コア材5が充填され、2回目に造形されたシェル2に囲われたコア部4の領域には、未硬化のシェル材3が残留している状態となる。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing a state in which the
As shown in FIG. 3, a
次に、シェル2に囲われた部分であるコア部4に液相材料であるコア材5を充填するコア材充填工程(S2)が行われる。
すなわち、制御ユニット20がコア材供給系13を制御して、図示しないノズル移動機構を動作させて、ノズル14をシェル2の開口部2aからコア部4内に挿入し、その先端をコア部4の底近傍に配置する。この状態で制御ユニット20がポンプ13bを駆動して、ノズル14の先端からコア材5をゆっくりと吐出し、コア部4にコア材5を充填していく。
Next, a core material filling step (S2) is performed in which the
That is, the
図4は、コア材充填工程(S2)によりコア部4にコア材5が充填された状態を模式的に示す部分断面図であり、造形台15周辺部のみを拡大して示している。なお、図4では、2回目のシェル2が造形された後にコア部4にコア材5が充填された状態を示しており、充填されたコア材5の上にシェル材3である紫外線硬化樹脂が載っている。
FIG. 4 is a partial cross-sectional view schematically showing a state in which the
コア材充填工程(S2)では、コア部4の底近傍に挿入されたノズル14からコア材5が供給されるにつれて、コア部4に残存する未硬化のシェル材3は造形済みのシェル2辺縁から溢れていき、コア部4内の未硬化のシェル材3がコア材5に底部から徐々に置換されていく。その後、コア部4に所定量のコア材5が満たされると、充填工程を終える。なお、コア材5の比重がシェル材3の比重よりも大きいため、コア材5は未硬化のシェル材3中に自重で沈降する。そのため、コア部4の底部からシェル材3との置換がより容易に実現可能となっている。なお、コア材充填工程(S2)では、コア材5の充填を終えた後、リコータ16でシェル材3の液面をx軸方向に均し、余分なコア材5を掻き取り、余分なコア材5が図示しない廃棄桶に廃棄されるようにしてもよい。
In the core material filling step (S2), as the
次に、制御ユニット20がシェル2の造形及びコア材5の充填が全て完了したか否かを判断し(S3)、シェル2の造形及びコア材5の充填が全て完了していないと判断すれば、シェル造形工程(S1)に戻り、2回目以降のシェル造形工程(S1)と、コア材充填工程(S2)とを実行する。
一方、シェル2の造形及びコア材5の充填が全て完了したと判断すれば、次にシェル2の開口部2aに漏出防止部を設ける漏出防止部形成工程(S4)が行われる。
Next, the
On the other hand, if it is determined that the shaping of the
図5は、漏出防止部形成工程(S4)により、シェル2の開口部2aに漏出防止部7が形成された状態を模式的に示す部分断面図である。
漏出防止部形成工程(S4)では、制御ユニット20が少なくともレーザー光学系12を制御して、シェル2の開口部2aに紫外線レーザー光12cを走査しながら照射し、コア材5の上に載っているシェル材3(図4参照)を硬化させることにより漏出防止部7を造形する。
FIG. 5 is a partial cross-sectional view schematically showing a state in which the
In the leakage prevention part forming step (S4), the
造形された漏出防止部7によって、シェル2の開口部2a、すなわちコア部4の上面が封止された状態となり、コア部4のコア材5がシェル2と漏出防止部7とによって閉じ込められた状態になる。なお、コア材5の上に載っているシェル材3(図4参照)は、図5に示すよう全て硬化させてもよいし、シェル材3の少なくとも一部、例えば、シェル材3の表面部分のみ全体を硬化させてもよいし、シェル2の開口部2aの内側縁部分を硬化させてもよい。
The shaped
漏出防止部形成工程(S4)では、漏出防止部7の造形時におけるシェル材3の硬化深度が、シェル2の造形時におけるシェル材3の硬化深度よりも深くなる条件で紫外線レーザー光12cを照射してもよい。硬化深度が深くなるよう、紫外線レーザー光12cの走査条件を調整することで、0.5mm程度の深さのシェル材3を一度の走査で硬化させることが可能となる。
In the leakage prevention part forming step (S4),
また、漏出防止部形成工程(S4)では、シェル2を造形する場合と同様の条件で漏出防止部7を造形してもよい。すなわち、制御ユニット20が、図4に示した状態から造形台15を少し上げる制御を行い、コア部4の上端面の上に所定の深さ(例えば、0.1mmの深さ)のシェル材3の未硬化層を形成する。その後、制御ユニット20が、少なくともコア部4の上端面に紫外線レーザー光12cを走査しながら照射する制御を行い、一層分の漏出防止部7を造形する。その後、制御ユニット20が、造形台15を所定の深さ(例えば、0.1mmの深さ)だけ下げる制御を行い、先に形成された漏出防止部7の上にシェル材3の未硬化層を形成する。そして、制御ユニット20が、先に造形した漏出防止部7の上面に向けて紫外線レーザー光12cを走査しながら照射する制御を行い、次の一層分の漏出防止部7を造形する。このように一層ずつ漏出防止部7を造形する処理を繰り返して、所定の厚みを有する漏出防止部7を造形するようにしてもよい。
Further, in the leakage prevention portion forming step (S4), the
漏出防止部形成工程(S4)を終えると、次に造形台15からシェル2を取り外すシェル取り外し工程(S5)が行われる。
図6は、シェル取り外し工程(S5)において、漏出防止部7が形成されたシェル2を造形台15から取り外している一場面を模式的に示す部分断面図である。
After completing the leakage prevention portion forming step (S4), a shell removing step (S5) in which the
FIG. 6 is a partial sectional view schematically showing a scene in which the
シェル取り外し工程(S5)では、制御ユニット20が造形台15を制御して、造形槽11内にある造形台15をシェル材3の液面よりも上に上昇させる。次に、作業者が造形台15とシェル2との間のサポート部6にヘラやスクレーパなどの剥離具50を少しずつ挿入していき、サポート部6を壊しながらシェル2を取り外していく。
In the shell removal step (S5), the
この工程では、コア部4に充填されているコア材5は液状であるが、シェル2の開口部2aに漏出防止部7が造形されているので、剥離具50などを用いてシェル2を造形台15から取り外す際に、シェル2が傾いたり、シェル2に振動が加わったりしても、コア部4からコア材5がこぼれる虞がない。
したがって、シェル取り外し工程(S5)において、造形台15の上にコア材5がこぼれて、造形台15などが汚染されることがなく、また、取り外し作業も効率よく行うことが可能となる。
In this step, the
Therefore, in the shell removal step (S5), the
そして、造形台15から取り外されたシェル2は、例えば、加熱炉に投入されて、コア材5に熱エネルギーが付与されて、コア部4内の液状のコア材5を硬化させることにより、立体造形物1全体の造形が完了することとなる。なお、漏出防止部7は、立体造形物1の構成の一部としてそのまま残してもよいし、漏出防止部7の少なくとも一部を立体造形物1から除去してもよい。
Then, the
上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、コア材充填工程(S2)とシェル取り外し工程(S5)との間に、漏出防止部形成工程(S4)を有しているので、シェル2の開口部2a(すなわち、コア部4に充填されたコア材5の上面)に漏出防止部7が設けられた状態でシェル取り外し工程(S5)を行うことが可能となる。このようにシェル2の開口部2aに漏出防止部7が設けられることによって、シェル取り外し工程(S5)中に、シェル2が傾けられたり、シェル2に振動が加えられたりしても、コア部4から未硬化のコア材5がこぼれる虞がなくなり、コア部4からコア材5をこぼすことなく造形台15からシェル2を取り外すことができる。
According to the three-dimensional modeling method according to the above embodiment, since the leakage prevention part forming step (S4) is provided between the core material filling step (S2) and the shell removing step (S5), the
また上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、漏出防止部7はコア材5の上に位置するシェル材3の少なくとも一部を紫外線レーザー光12cなどの活性エネルギーを照射して硬化させることによって造形されるので、コア材充填工程(S2)を終えた後、漏出防止部7を簡便かつ効率良く造形することができる。
Further, according to the three-dimensional modeling method according to the above embodiment, the
また上記実施の形態に係る立体造形方法によれば、漏出防止部7の造形時におけるシェル材3の硬化深度は、シェル2の造形時におけるシェル材3の硬化深度よりも深いため、厚みのある漏出防止部7を短時間で効率良く造形することができる。
Further, according to the three-dimensional modeling method according to the above embodiment, the hardening depth of the
また上記実施の形態に係る立体造形方法を用いて立体造形物1を製造することにより、立体造形物1を製造する場合に、上記効果を奏することとなり、コア部4からコア材5がこぼれることによる装置内汚染やコア材5の再補充工程等をなくすことができ、立体造形物1の製造効率を高めることができる。
Furthermore, by manufacturing the three-
なお、上記した実施の形態に係る立体造形方法における漏出防止部形成工程(S4)は、コア材5の上に位置するシェル材3の少なくとも一部を硬化させることにより漏出防止部7を造形する工程であったが、漏出防止部7を造形する方法は、この方法に限定されない。
In addition, in the leakage prevention part forming step (S4) in the three-dimensional modeling method according to the embodiment described above, the
図7は、別の実施の形態に係る立体造形方法における漏出防止部形成工程(S4a)を説明するための図であり、(a)は漏出防止部を造形しているときの状態、(b)は漏出防止部が造形された後の状態を模式的に示す部分断面図である。なお、シェル造形工程(S1)、コア材充填工程(S2)、及びシェル取り外し工程(S5)は、図2を用いて説明した方法と略同一であるので、ここではその説明を省略する。 FIG. 7 is a diagram for explaining the leakage prevention part forming step (S4a) in the three-dimensional modeling method according to another embodiment, in which (a) shows the state when the leakage prevention part is being modeled, and (b) ) is a partial cross-sectional view schematically showing the state after the leakage prevention part is formed. Note that the shell forming step (S1), the core material filling step (S2), and the shell removing step (S5) are substantially the same as the method described using FIG. 2, so their description will be omitted here.
また、別の実施の形態に係る立体造形方法に用いる立体造形装置が、図1に示した立体造形装置10と相違する点は、造形槽11の上方に紫外線硬化用ランプ(UVランプ)17が装備されている点であり、他の構成は同一である。
The three-dimensional modeling apparatus used in the three-dimensional modeling method according to another embodiment is different from the three-
別の実施の形態に係る漏出防止部形成工程(S4a)では、シェル2の造形が全て完了した後、制御ユニット20が、造形台15を制御して、シェル2の開口部2aが造形槽11のシェル材3の液面より高くなる位置まで造形台15を上昇させる。この状態では、コア材5の上にシェル材3が載っている状態となっている。
In the leakage prevention part forming step (S4a) according to another embodiment, after all the modeling of the
次に、制御ユニット20が、造形槽11の上方に設けられた紫外線硬化用ランプ17をコア材5の上に載っているシェル材3に照射する制御を行い(図7(a))、コア材5の上に載っているシェル材3を硬化させる。このランプ照射処理よりコア材5の上に漏出防止部7が造形される(図7(b))。
Next, the
なお、紫外線硬化用ランプ17の照射強度と造形台15の高さ位置とは、造形台15が沈んでいる造形槽11内のシェル材3は硬化せずに、シェル2に囲われたコア部4のコア材5の上に載っているシェル材3のみが硬化する強度と、造形台15の高さ位置との関係に調整されている。
Note that the irradiation intensity of the
上記した別の実施の形態に係る立体造形方法によれば、漏出防止部形成工程(S4a)は、造形台15を上昇させてシェル2の開口部2aを造形槽11のシェル材3の液面より高くしてから、紫外線硬化用ランプ17を、コア材5の上に載っているシェル材3の全面に一度に照射して漏出防止部7を造形するようになっている。したがって、漏出防止部7をより短時間で効率良く造形することができる。
According to the three-dimensional modeling method according to the above-described another embodiment, the leakage prevention part forming step (S4a) involves raising the modeling table 15 and adjusting the
本発明は、以上の実施の形態に限定されるものではなく、上記した漏出防止部形成工程等は種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。また、上記実施の形態では、シェル2の造形に用いられるシェル材3が液相材料である場合について説明したが、シェル2の造形は、液相材料を硬化させる方法(液相重合法)に限定されるものではなく、上記背景技術の欄で説明した他の付加製造の方法などが適用されてもよい。
本発明は、3Dプリンタなどの付加製造技術の分野において広く適用可能であり、係る分野に本発明を適用することにより、例えば、自動車、航空機、ロボットなどの各種産業機器に用いられる部品、介護用品、スポーツ用品など、特に、軽量且つ高強度が要求される部品、製品の試作のみならず、量産化を実現することが可能となる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made to the above-described leakage prevention part forming process, and these are also included within the scope of the present invention. Needless to say. Furthermore, in the above embodiment, a case has been described in which the
The present invention is widely applicable in the field of additive manufacturing technology such as 3D printers, and by applying the present invention to such fields, for example, parts used in various industrial equipment such as automobiles, aircraft, robots, nursing care products, etc. It becomes possible not only to prototype but also to mass-produce parts and products that require light weight and high strength, such as sports equipment.
1、100 立体造形物
2 シェル
2a 開口部
3 シェル材
4 コア部
5 コア材
6 サポート部
7 漏出防止部
10 立体造形装置
11 造形槽(シェル材槽)
12 レーザー光学系
12a 紫外線レーザー
12b 走査光学系
12c 紫外線レーザー光
13 コア材供給系
13a コア材タンク
13b ポンプ
13c、13d 配管系
14 ノズル
15 造形台(支持部材)
16 リコータ
17 紫外線硬化用ランプ
20 制御ユニット
20a 記憶部
20b 制御部
1,100 Three-
12 Laser
16
Claims (5)
前記シェルに囲われた部分であるコア部に液相材料であるコア材を充填するコア材充填工程と、
前記支持部材から前記シェルを取り外すシェル取り外し工程と、
を有し、前記コア材を含む立体造形物を形成させる立体造形方法であって、
前記コア材充填工程と前記シェル取り外し工程との間に、前記シェルの開口部に漏出防止部を設ける漏出防止部形成工程を有することを特徴とする立体造形方法。 a shell forming step of forming a shell, which is an outer shell layer of the three-dimensional model, on a support member using a shell material;
a core material filling step of filling a core material, which is a liquid phase material, into a core portion that is a portion surrounded by the shell;
a shell removal step of removing the shell from the support member;
A three-dimensional modeling method for forming a three-dimensional object including the core material,
A three-dimensional modeling method, comprising a step of forming a leak prevention portion in an opening of the shell between the core material filling step and the shell removal step.
前記漏出防止部形成工程では、前記支持部材を上昇させて前記シェルの開口部を前記シェル材槽の前記シェル材の液面より高くしてから前記漏出防止部を設けることを特徴とする請求項1~3のいずれかの項に記載の立体造形方法。 The shell is formed in a shell material tank into which the shell material is injected,
In the leakage prevention part forming step, the leakage prevention part is provided after the support member is raised to make the opening of the shell higher than the liquid level of the shell material in the shell material tank. The three-dimensional modeling method according to any one of items 1 to 3.
A method for manufacturing a three-dimensional object, the method comprising manufacturing the three-dimensional object using the three-dimensional object forming method according to any one of claims 1 to 4.
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